FR2793954A1

FR2793954A1 - Dispositif de detection de rayonnement a forte dynamique

Info

Publication number: FR2793954A1
Application number: FR9906335A
Authority: FR
Inventors: Francis Glasser
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1999-05-19
Filing date: 1999-05-19
Publication date: 2000-11-24
Anticipated expiration: 2019-05-19
Also published as: WO2000072386A1; EP1186058A1; FR2793954B1; US6734431B1

Abstract

Dispositif de détection de rayonnement à forte dynamique.Selon l'invention, l'une au moins des électrodes est fragmentée en plusieurs zones (6A, 6B, 6C). Cela permet de faire fonctionner le dispositif de plusieurs manières selon le flux du rayonnement.Application par exemple en radiographie (domaine médical ou contrôle non destructif).

Description

DISPOSITIFDE DETECTION DE RAYONNEMENT A FORTE DYNAMIQUE DESCRIPTION Domaine technique L'invention concerne un dispositif de détection de rayonnementà forte dynamique.

on entend par dispositif de détectionà forte dynamique un dispositif capable de détecter un rayonnement aussi bien de faible flux que de fort flux.

Le rayonnement dont il est question peut être un rayonnement Xou y, mais on pourrait utiliser d'autres types de rayonnement, de type corpusculaire par exemple, comme des faisceaux de protons. La seule contrainte est que ce rayonnement soit capable de créer des charges électriques au sein d'un matériau semi- conducteur dans un volume de l'ordre du millimètre cube.

L'invention trouve des applications en particulier dans le domaine médical. Par exemple, pour une radiographie, le rayonnement X utilisé, avant d'arriver sur le dispositif détecteur, traverse le corps d'un patient où il est absorbé de façon inhomogène. Le flux ressortant peut donc localement varier considérablement (plusieurs décades).

Un autre exemple peut être pris en radiothérapie le patient sera très faiblement irradié dans un premier temps pour le positionnement, puis très fortement irradié dans un deuxième temps pour le traitement. Un autre domaine est celui du contrôle non destructif par radiographie, par exemple de l'intérieur de containers (chargement des bateaux) qui peuvent présenter des absorptions très variées.

Etat de la technique antérieure A l'heure actuelle, et en particulier dans le domaine médical, les détecteurs de rayonnement (par exemple X ouy) sont généralement des détecteursà scintillateurs fonctionnant sur un principe de détection indirecte: le photon incident interagit avec le matériau scintillateur en créant des photons d'un autre type, photons qui sont multipliés par un photomultiplicateur afin de fournir un signal électrique mesurable.

Ces détecteurs présentent une efficacité et une résolution qui peuvent être insuffisantes pour certaines applications.

Ces caractéristiques peuvent être améliorées en remplaçant les détecteursà scintillateur par des détecteursà semi-conducteur. La figure1 annexée décrit schématiquement un détecteur de ce type.

Tel que représenté, le dispositif comprend un matériau semi-conducteur 2 encadré par deux électrodes 4 et6, des moyens d'alimentation8 aptesà porter l'électrode6 à une tension appropriée (-V), des moyens pour mesurer le courant (i) délivré, comprenant, dans l'exemple illustré, un amplificateur10 dont la sortie est rebouclée sur l'entrée par un condensateur 12, un interrupteur 14 étant en outre disposé aux bornes de ce condensateur. Le dispositif comprend enfin un appareil de mesure du courant (ou de la tension16). Le rayonnement que l'on veut détecter est référencé 20 et il traverse le matériau semi-conducteur 2.

Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant. Le rayonnement 20 interagit avec le matériau semi- conducteur 2 en créant des charges électriques. Pour un même rayonnement incident, le nombre de charges créées est d'un ordre de grandeur supérieurà celui qui est obtenu en détection indirecte par un détecteurà scintillateur. Le champ électrique créé dans le matériau par les électrodes permet de collecter ces charges sur les électrodes et notamment l'électrode 4. Ces charges sont ensuite stockées dans le condensateur 12 et traitées dans le circuit16 qui délivre un signal représentatif du rayonnement.

Le condensateur d'intégration 12 est dimensionné de façonà pouvoir stocker la quantité de charges maximale que peut délivrer le matériau semi-conducteur. Cette quantité est fonction de la valeur du flux incident. Si le flux est très élevé, le nombre de chargesà stocker sera élevé et les capacités nécessairesà leur stockage devront être grandes. Ces valeurs de capacité peuvent soit ne pas exister sur le marché des composants électroniques, soit impliquer des surfaces de capacité intégrée trop grandes pour la place disponible sur le circuit.

La solution consiste doncà diminuer la quantité de chargesà stocker, uniquement lorsque le flux incident est trop élevé. Mais il est essentiel de conserver les qualités fondamentales du détecteur,à savoir une bonne résolution spatialeou un bon contraste. La résolution spatiale est la distance minimale qui doit séparer les points d'interaction avec le matériau de deux photons incidents pour que le détecteur puisse les différencier.

La quantité de chargesà stocker ne peut pas être diminuée par simple réduction du nombre de photons arrivant sur le détecteur. Cette méthode, valable pour les forts flux, ne conviendrait pas pour les faibles flux et le détecteur perdrait la dynamique nécessaireà l'application. De plus, le nombre de photons incidents doit rester conséquent car le bruit du signal électrique est proportionnelà 11#-N oùN est le nombre de photons absorbés dans tout le volume du détecteur.

La présente invention a justement pour but de proposer un dispositif de détection de rayonnementà forte dynamique qui ne présente pas ces inconvénients et permet de satisfaireà ces exigences contradictoires.

Exposé de l'invention A cette fin, l'invention propose un dispositif dont la caractéristique essentielle est que l'une au moins des électrodes est fragmentée en zones conductrices électriquement isolées les unes des autres, les moyens d'alimentation étant aptesà porter chacune de ces zonesà une tension appropriées.

Ces moyens permettent de faire fonctionner le dispositif de deux manières différentes, selon les applications envisagées: - soit qu'on travailleà faible tension, sur la totalité du matériau, auquel cas on obtient un faible bruit et on améliore le contraste, - soit qu'on travaille sur une partie seulement du matériau mais avec une tension élevée, auquel cas on améliore la résolution spatiale.

De façon précise, l'invention a donc pour objet un dispositif de détection de rayonnement énergétique, comprenant un matériau semi-conducteur apteà convertir ce rayonnement en charges électriques, au moins deux électrodes encadrant le matériau, des moyens d'alimentation aptesà porter ces électrodesà des tensions appropriées, des moyens pour mesurer le courant délivré, caractérisé en ce que l'une au moins des électrodes est fragmentée en zones conductrices électriquement isolées les unes des autres, les moyens d'alimentation étant aptesà porter chacune de ces zonesà une tension appropriée réglable.

Les zones de fragmentation peuvent prendre' diverses formes, notamment en bandes rectangulaires. Brève description des dessins - la figure1, déjà décrite, illustre un détecteur de l'art antérieur; - la figure 2 représente l'évolution du nombre de charges collectées en fonction de la valeur de la polarisation des électrodes; - la figure3 illustre schématiquement la fragmentation d'une électrode; - la figure 4 montre un mode particulier de réalisation avec des zones de largeurs croissantes; - la figure5 montre un autre mode particulier de réalisation avec une succession de bandes de même largeur; - la figure6 illustre un mode particulier de réalisation dans lequel les deux électrodes sont fragmentées dans deux directions orthogonales.

Description de modes particuliers de réalisation Selon un premier mode de fonctionnement du dispositif de l'invention, on réduit le nombre de charges collectées en réduisant le champ électrique appliqué au matériau semi-conducteur, donc la tension appliquée aux électrodes. Ce mode de fonctionnement n'est jamais utilisé dans l'art antérieur, car on considère qu'en baissant la tension de fonctionnement, les porteurs de charge vont migrer moins vite et se faire piéger en partie. Suivant le lieu de l'interaction rayonnement-matière (au voisinage des électrodes ou au centre du barreau), la quantité de charges stockées dans le condensateur sera très variable et le signal mesuré peu reproductible. Or, le Demandeur a montré qu'il n'en était rien pour les photons de haute énergie (de l'ordre du MeV). En effet, de tels photons créent des paires électron-trou dans un volume important, dont la section droite typique est de l'ordre de1 à quelques MM2 Il existe alors des charges dans tout le volume séparant les électrodes. Lorsque le nombre de photons incidents est important (ce qui est le cas lorsque le problème de l'excès de charges se pose), on peut considérer que la répartition des charges dans le volume du semi-conducteur est uniforme (par moyennage) . C'est pourquoi, si le signal de sortie diminue avec la tension de polarisation, il reste néanmoins stable et reproductible. C'est ce que confirme la figure 2, qui montre la charge mesuréeC (en unité arbitraire) en fonction de la tension de polarisation V, exprimée en volts. La courbe (exponentielle) est régulière et atteste d'une relation simple entre la variation de tension et la variation de quantité de charges collectées.

Ce premier mode de fonctionnement permet donc de réduire la quantité de chargesà traiter tout en préservant le contraste. Mais cela s'effectue au détriment de la résolution spatiale. Pour palierà cet inconvénient, l'invention propose un autre mode de fonctionnement (qui peut d'ailleurs être associé au premier) et qui exploite la fragmentation, d'une ou des électrode (s).

Les figures3, 4 et5 illustrent des exemples de réalisation de cette fragmentation. Ces exemples se rapportentà un barreau parallèlépipédique, mais, naturellement, cette forme n'est pas la seule possible. Sur laf igure 3, on voit un barreau 2 avec une grande dimension, appelée profondeur et repérée par la lettre p, parallèleà la direction du rayonnement 20à détecter; le barreau possède une largeur1 et une hauteur h. Les faces séparées par la hauteur h portent les électrodes 4 et6. Dans le cas illustré, l'électrode supérieure6 est fragmentée en trois zones 6A, 6B et6C, isolées électriquement les unes des autres et reliées aux moyens d'alimentation8, lesquels sont aptesà appliquerà ces trois électrodes trois tensions réglables indépendantes l'une de l'autre.

On obtient ainsi un dispositif dont le volume d'interaction est réglable selon que l'on applique ou non des tensions sur les différentes zones.

En fonction de la valeur du flux incident, une ou plusieurs zones peuvent être mises sous tension et sont donc actives pour la collection des charges; d'autres zones peuvent avoir une polarisation nulle. Lorsque le flux incident sera faible, toutes les zones d'électrodes pourront être connectées afin de collecter le maximum de charges; lorsque le flux augmentera, une ou plusieurs zones seront désactivées, c'est-à-dire par exemple misesà la masse.

Dans ce mode de fonctionnement, seules les charges créées en regard des électrodes alimentées sont collectées. Le nombre de chargesà collecter étant moins élevé, la tension peut être régléeà sa valeur optimale, c'est-à-direà une valeur suffisamment élevée pour obtenir une résolution spatiale de qualité.

D'autre part, le volume de matériau impliqué étant plus petit, le nombre de photons participantà la création de charges est plus faible ce qui entraîne une augmentation de la valeur du bruit, ce qui détériore le contraste. Ce mode de fonctionnement permet donc de réduire la quantité de charges sans perdre la résolution spatiale mais au détriment du contraste. Dans certains cas, il pourra être opportun d'utiliser simultanément les deux modes de fonctionnement décrits, en réduisant la surface des électrodes actives et leur appliquant une tension plus faible que la tension optimale.

La figure 4 illustre une variante du dispositif destinéeà répondreà une très grande dynamique de flux. Dans cette variante, qui comprend encore trois zones6A, 6B et6C la largeur des bandes conductrices (comptée parallèlementà la profondeur du barreau) change d'une bandeà l'autre selon une progression géométrique de raison10 (la largeur est10 fois plus grande pour la zone 6B que pour la zone6A et10 plus grande pour la zone6C que pour la zone 6B). On peut ainsi obtenir deux décades. La longueur des bandes6A, 6B,6C comptée parallèlementà la largeur1 du barreau est sensiblement égaleà la largeur du barreau.

La première zone6A, très étroite, sera utilisée avec une tension optimale et permettra d'obtenir des informations avec une grande résolution spatiale, tandis que la deuxième zone 6B et éventuellement la troisième6C seront utilisées avec une faible tension et permettront d'obtenir des informationsà fort contraste.

Cette variante est intéressante dans le cas de faisceaux, qui diffusent dans le matériau dans un volume présentant une forme de poire, la profondeur de la partie étroite de la poire fixant la largeur de la première zone(6A). Cette variante peut être utilisée aussi dans le cas d'un faisceau incident multiénergétique, par exemple avec une énergie variant de 50keV à 20 MeV. La première électrode sera dimensionnée pour arrêter99 % des photons de50 keV (faible énergie), la deuxième pour arrêter95 % des photons de quelques centaines de keV et la troisième pour arrêter le reste des photons de haute énergie (plus de500 keV) . Les électrodes auront typiquement des largeurs respectivement de50 à 100pm, de 200à 500pm et de 2à 3 cm.

Ce système permet avec un seul détecteur de réaliser trois imagesà énergies différentes. Après traitement des images, il est possible de déduire la nature des matériaux qui ont atténué le faisceau.

La figure5 illustre un autre cas où six zones conductrices6A, 6B,6C, 6D, 6E, 6F ont même largeur. On obtient ainsi une structure périodique. La largeur des bandes peut être, par exemple, de10 mm.

Le dispositif de l'invention est particulièrement avantageux lorsqu'il est répété un certain nombre de fois pour constituer une matrice. Le dispositif est alors capable de déterminer le lieu d'interaction d'un photon avec le matériau semi-conducteur: il permet alors de réaliser une image. La fragmentation des électrodes n'augmentant pas de façon significative l'encombrement du dispositif, ce dernier peut donc être juxtaposéà d'autres dispositifs de même type.

De façon avantageuse, pour éviter la découpe de fins dispositifs ainsi que leur manipulation, le matriçage peut être réalisé sur un même barreau mais de largeur plus conséquente, avec une fragmentation de l'électrode inférieure dans le sens de la profondeur. C'est ce qu'illustre la figure6. On voit, sur cette figure, un dispositif qui comprend une électrode supérieure fragmentée en deux zones6A et 6B et une électrode inférieure fragmentée en six zones 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f constituant des bandes rectangulaires parallèlesà la profondeur du barreau. Les zones6A, 6B d'une part, et les zones 4a, 4b, etc..., 4f, d'autre part, forment, dans leurs zones de recouvrement, une matrice de volumes élémentaires.

Le matériau semi-conducteur utilisable dans l'invention qui vient d'être décrite peut être quelconque et, de façon avantageuse, être choisi parmi les semi-conducteurs présentant une haute résistivité (typiquement supérieureà 107Çkm) de façonà fournir un faible courant lorsqu'il est polarisé et non éclairé et parmi les semi-conducteurs présentant un facteur PT (produit de la mobilité par la durée de vie des porteurs) suffisamment élevé pour que les charges créées et soumisesà un champ électrique aient le temps d'atteindre les électrodes (typiquement pour un champ électrique de0,1 V/cm, P = 1000 CM2S-IV-1 , T<B≥ 1PS).

En particulier, le matériau peut être choisi dans le groupe consistant en le CdTe, le CdZnTe, l'AsGa, le Pb12, le Hg12 et le Se.

Dans le cas de la détection d'un rayonnement X de quelques MeV pour la radiographie, le dispositif de l'invention est avantageusement utilisé sous forme d'un parallélépipède de CdTe présentant une surface d'entrée de l'ordre de1 mm', la profondeur du barreau étant de 60 mm, pour présenter un pouvoir d'arrêt suffisant pour des photons d'une telle énergie.

Claims

REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection de rayonnement énergétique, comprenant un matériau semi-conducteur (2) apteà convertir ce rayonnement en charges électriques, au moins deux électrodes (4,6) encadrant le matériau (2), des moyens d'alimentation(8) aptesà porter ces électrodes (4,6) à des tensions appropriées (-V), des moyens pour mesurer le courant délivré (i), caractérisé en ce que l'une au moins des électrodes (4, 6) est fragmentée en zones conductrices(6A, 6B,6C, 6D, 6E, 6F) électriquement isolées les unes des autres, les moyens d'alimentation(8) étant aptesà porter chacune de ces zonesà une tension appropriée réglable. 2. Dispositif selon la revendication1, dans lequel le matériau semi-conducteur (2) présente une forme de barreau parallélépipédique avec une profondeur (p) destinéeà être orientée parallèlementà la direction du rayonnement (20), une largeur(1) et une hauteur (h), ce barreau présentant deux faces parallèles séparées par ladite hauteur (h), les électrodes (4,6) étant disposées sur ces faces. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les zones conductrices de l'électrode fragmentée (6) sont en forme de bandes rectangulaires(6A, 6b, 6C, 6D, 6E, 6F) ayant une longueur parallèleà la largeur (1) du barreau (2) et une largeur parallèleà la profondeur du barreau(p). 4. Dispositif selon la revendication3, dans lequel toutes les bandes(6A, 6B,6C, 6D, 6E, 6F, figure5) ont même largeur. 5. Dispositif selon la revendication3, dans lequel les bandes(6A, 6B,6C) présentent une largeur croissante dans le sens de la profondeur du barreau (2). 6. Dispositif selon la revendication5, dans lequel les bandes ont des largeurs en progression géométrique de raison10 (6A, 6B,6C, figure 4). 7. Dispositif la revendication1, dans lequel le matériau semi-conducteur est pris dans le groupe consistant en le CdTe, le CdZnTe, l'AsGa, le Pb12, le Hg12 et le Se. 8. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les deux électrodes (4,6) sont fragmentées, l'une(6) étant constituée de zones en forme de bandes rectangulaires parallèlesà la largeur(1) du barreau (6A, 6B, figure6), et l'autre (4) étant constituée de zones (4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, figure6) en forme de bandes rectangulaires parallèlesà la profondeur(p) du barreau.